CN113233552A - 直流摩擦纳米发电机及在灭活船舶压载水中微生物的应用 - Google Patents

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刘健豪
单百川
陈南汐
李华安
范宇航
赵凯园
曲广皓
王元虎
王成法
王昊
徐敏义
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Abstract

本发明提供一种直流摩擦纳米发电机及在灭活船舶压载水中微生物的应用。本发明通过收集环境中的风能，发出电解电解船舶压载水的直流电，包括支撑外壳和置于其中的定子和转子，所述定子包括公差补偿装置以及固定在其上的摩擦电极，所述转子设置于所述支撑外壳内部中心处，所述转子上附有摩擦层，所述转子上方固定静电击穿电极，所述静电击穿电极与摩擦层之间设有预设距离，所述公差补偿装置用于使摩擦层与摩擦电极紧密接触，使转子与摩擦电极保持同一同轴度。本发明利用环境或船舶航行中的风能来实现装置自供能并灭活海水中的微生物，为自供能净化船舶压载水提供了潜在的方案。

Description

直流摩擦纳米发电机及在灭活船舶压载水中微生物的应用
技术领域
本发明涉及摩擦纳米发电自供能技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于摩擦起电效应与静电击穿效应相耦合的旋转式直流摩擦纳米发电机(R-DC-TENG)自供能电解船舶压载水装置，可应用于自供能净化船舶压载水领域。
背景技术
如何利用环境中的可再生清洁能源是当今能源领域研究的热点话题，如今非可再生的化石能源包括石油，天然气，煤炭的广泛应用一方面造成了严重的环境污染，例如全球变暖，酸雨，以及雾霾等问题；另一方面，对全球石油储量的综合估算，全球化石能源可支配极限为1180～1510亿吨，将在65年内消耗殆尽。因此大力发展诸如风能、潮汐能、太阳能、地热能、水利等可再生能源才是适合当今世界经济可持续发展需求的重要战略。
随着世界航运事业的不断发展，船舶的数量也逐年走高。在船舶航行中，船舶压载水起到了稳定船舶航行的作用。但是，船舶压载水在注入排出的过程中，可能会对海湾等水域造成外来物种入侵，可能威胁到水域中的生态结构及其生物多样性；而且压载水还可能存在船舶有害的寄生虫和病原体，甚至可能导致当地的物种灭绝。2004年2月，国际海事组织召开的压载水管理国际会议并通过了《国际船只压载水和沉淀物控制与管理公约》，旨在控制管理船舶压载水以防止、减少和消除有害水生物和病原体的转移。目前有三种压载水处理系统，分别是UV系统、电解系统以及化学注入系统，其中电解系统是通过给海水通电使其中的盐与水分子发生化学反应生成消毒剂——次氯酸盐，然后再将其重新注入压载水以杀死有机物。如果利用环境中或者船舶航行中的风能转化成电能应用在电解系统能够收集这部分能量达到系统自供能目的，并可持续的操作和运行，便可代替原本外接到系统中的电能以节省这部分能源。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种直流摩擦纳米发电机及在灭活船舶压载水中微生物的应用。本发明采用的技术手段如下：
一种旋转式直流摩擦纳米发电机，包括支撑外壳和置于其中的定子和转子，所述定子包括公差补偿装置以及固定在其上的摩擦电极，所述转子设置于所述支撑外壳内部中心处，所述转子上附有摩擦层，所述转子上方的一个公差补偿装置上固定静电击穿电极，所述静电击穿电极与摩擦层之间设有预设距离，所述公差补偿装置用于使摩擦层与摩擦电极紧密接触，使转子与摩擦电极保持同一同轴度。
进一步地，其内部中各边部均安装有公差补偿装置，其中一个公差补偿装置上设有设置用于安装所述静电击穿电极的静电击穿电极底座。
进一步地，所述公差补偿装置由弹簧钢制成。
进一步地，所述转子上连接风杯，所述风杯用于采集环境或船舶航行中的风能。
进一步地，所述支撑外壳壁上设有连通电解池的导线。
进一步地，所述摩擦电极由铜制成，所述摩擦层采用聚酰亚胺制成。
一种船舶压载水自供能系统，包括多个并联组成的旋转式直流摩擦纳米发电机，各发电机的输出端连接的电解池具体为船舶压载水。
本发明具有以下优点：
本发明通过采集环境或者船舶航行过程中的风能带动R-DC-TENG转子转动，使转子表面的摩擦层(Kapton)与摩擦电极摩擦，发生电荷转移与累计，根据帕申定律，当达到静电击穿的临界值时就会发生静电击穿从而产生直流电，利用产生的直流电电解船舶压载水，电解产生的有效氯可以达到对压载水中微生物灭活的效果，构成一种自供能电解船舶压载水系统，为防止海洋外来生物入侵传播和保护海域生态安全提供了潜在的方案。
本发明在压载水处理方法具有以下特点：
1、将摩擦电极固定在公差补偿装置上，公差补偿装置由弹簧钢(Mn65)制成。公差补偿装置能够让摩擦层与摩擦电极(FE)能够接触得更紧密，使得转子与半圆结构的摩擦电极(FE)保持同一同轴度，保证装置工作过程中能够平稳地产生直流电，使得装置正常运行。
2、旋转式直流摩擦纳米发电机的静电击穿电极与摩擦层之间留有微小距离，两者之间的距离是静电击穿的关键参数，距离越小，R-DC-TANG的发电性能越好。
3、装置通过采集环境或船舶航行过程中的风能带动转子转动产生直流电进行电解压载水，利用了环境中的能量达到了自供能的目的，减少了能源消耗。
综上，应用本发明的技术方案可以有效的利用环境中的能量，减少了能源的消耗，达到了自供能的目的，同时电解压载水产生的有效氯可以达到对压载水中微生物灭活的效果，构成一种自供能电解船舶压载水系统，为防止海洋外来生物入侵传播和保护海域生态安全提供了潜在的方案。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明旋转式直流摩擦纳米发电机具体结构示意图及局部放大图。
图2为本发明旋转式直流摩擦纳米发电机应用于自供能电解船舶压载水的方法整体示意图。
图中：1、支撑外壳 2、公差补偿装置 3、转子 4、摩擦电极 5、静电击穿电极 6、摩擦层 7、风杯 8、电解池 9、静电击穿电极底座
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例公开了一种旋转式直流摩擦纳米发电机(R-DC-TENG)，包括支撑外壳1和置于其中的定子和转子3，所述定子包括公差补偿装置2以及固定在其上的摩擦电极4(FE)，所述转子设置于所述支撑外壳内部中心处，所述转子上附有摩擦层，所述转子上方的一个公差补偿装置上固定静电击穿电极，所述静电击穿电极5与摩擦层6之间设有预设距离，所述公差补偿装置用于使摩擦层与摩擦电极紧密接触，使转子与摩擦电极保持同一同轴度。
所述支撑外壳为正多边形，其内部中各边部装有公差补偿装置，还有一个边部设置所述静电击穿电极。本实施例中，所述支撑外壳为正六边形，其内部装有6个公差补偿装置，其中5个上安装所述摩擦电极，还有1个上设有用于安装所述静电击穿电极的静电击穿电极底座。两个底座的材料与正多边形外壳底座材料相同，均为3D打印机打印出来的绝缘材料。摩擦电极底座4用螺栓固定在公差补偿结构2上，公差补偿结构2用螺栓固定在正多边形外壳1上，在摩擦电极底座曲面上附有由铜片制成的摩擦电极。静电击穿电极底座9也是通过螺栓固定在公差补偿结构上，在静电击穿电极底座上有条状的静电击穿电极，电极材料也是铜。
所述公差补偿装置由弹簧钢(Mn65)制成，其能够使转子与半圆结构的摩擦电极(FE)保持同一同轴度，让装置运行得更平稳。
所述支撑外壳壁上设有连通电解池8的导线，所有电极上的导线都是通过铜箔胶带连接。
所述摩擦电极由铜制成，所述摩擦层采用聚酰亚胺制成，聚酰亚胺(Kapton)材料电负性较强，耐磨性较好。
如图2所示，一种船舶压载水自供能系统，包括多个并联组成的旋转式直流摩擦纳米发电机，各发电机的输出端连接的电解池具体为船舶压载水。其中，所述转子上连接风杯7，所述风杯用于采集环境或船舶航行中的风能，通过风杯采集环境或船舶航行中的风能，带动R-DC-TENG中的转子转动，使得摩擦层与摩擦电极摩擦发生电荷转移与累计，当达到静电击穿的临界值时发生静电击穿，产生直流电电解船舶压载水。本实施例中，风杯可为三个或四个圆锥形或半球形的空杯。
本发明主要采用R-DC-TENG为电解池供能，这种旋转式直流摩擦纳米发电机能够在不接整流器的条件下直接输出直流电，在300R/min的转速下，开路电压可达450V，短路电流可达11μA，最佳匹配阻抗为10MΩ，R-DC-TENG可以通过增大摩擦电极的面积或者减小摩擦层与静电击穿电极之间的距离提高它的发电性能。通过n个装置并联形成直流电源阵列，通过采集环境或船舶航行中的风能带动转子转动产生直流电，电解产生的有效氯可以达到对压载水中微生物灭活的效果，构成一种自供能电解船舶压载水系统，为防止海洋外来生物入侵传播和保护海域生态安全提供了潜在的方案。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种直流摩擦纳米发电机，其特征在于，包括支撑外壳和置于其中的定子和转子，所述定子包括公差补偿装置以及固定在其上的摩擦电极，所述转子设置于所述支撑外壳内部中心处，所述转子上附有摩擦层，所述转子上方的一个公差补偿装置上固定静电击穿电极，所述静电击穿电极与摩擦层之间设有预设距离，所述公差补偿装置用于使摩擦层与摩擦电极紧密接触，使转子与摩擦电极保持同一同轴度。
2.根据权利要求1所述的直流摩擦纳米发电机，其特征在于，所述支撑外壳为正多边形，其内部中各边部均安装有公差补偿装置，其中一个公差补偿装置上设有用于安装所述静电击穿电极的静电击穿电极底座。
3.根据权利要求1所述的直流摩擦纳米发电机，其特征在于，所述公差补偿装置由弹簧钢制成。
4.根据权利要求1所述的直流摩擦纳米发电机，其特征在于，所述转子上连接风杯，所述风杯用于采集环境或船舶航行中的风能。
5.根据权利要求1所述的直流摩擦纳米发电机，其特征在于，所述支撑外壳壁上设有连通电解池的导线。
6.根据权利要求1所述的直流摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦电极由铜制成，所述摩擦层采用聚酰亚胺制成。
7.一种船舶压载水自供能系统，其特征在于，包括多个并联组成的权利要求1～6任一项所述的旋转式直流摩擦纳米发电机，各发电机的输出端连接的电解池具体为船舶压载水。
8.根据权利要求1～6任一项权利要求所述直流摩擦纳米发电机在灭活船舶压载水中微生物的应用。
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